刘 建，王宝龙，孙芳媛，陈旖旎，吴徐勇（农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室/海南大学园艺学院，海口 570228）

2020年中国提出“碳达峰，碳中和”以来，农光互补再度成为行业热点，从科技、经济、生态等角度分析，光伏蔬菜大棚是农光互补的最佳表现形式之一，是履行社会责任，优化资源配置的必然选择。海南省省委、省政府《关于做好2022年全面推进乡村振兴重点工作的实施意见》提出的底线任务中，就包含新建2万亩（1334 hm2）农光互补蔬菜大棚，装机容量可达200万kW以上，这对当地光伏大棚发展是机遇也是挑战。如何最大程度释放政策红利，发挥农光互补蔬菜大棚项目的引领示范作用，确保光伏蔬菜大棚姓“农”不姓“光”，避免陷入重光轻农、甚至弃农的老路，是行业亟需解决的问题。

相关政策依据

中华人民共和国国土资源部（现自然资源部）、国务院扶贫开发领导小组办公室（现国家乡村振兴局）、国家能源局联合印发的《关于支持光伏扶贫和规范光伏发电产业用地的意见》（国土资规〔2017〕8号），明确了使用农用地建设光伏项目的用地政策，利用农用地复合建设的光伏发电项目，在保障农用地可持续利用的前提下，可以不改变原土地利用性质，但需避免对农业生产造成影响。

海南省自然资源和规划厅、海南省发展和改革委员会、海南省扶贫工作办公室（现海南省乡村振兴局）联合印发的《关于进一步保障和规范光伏发电产业项目用地管理的通知》（琼自然资规〔2020〕2号），要求新建农光互补项目光伏方阵组件最低沿高于地面2.0 m，桩基列间距不小于3.5 m，行间距不小于2.5 m。2022年海南省平价菜保供惠民行动专班出台《示范性光伏蔬菜大棚技术规范规程》，规定大棚横梁高度不低于2.5 m，并为棚内蔬菜种植提出六项基本功能、两项示范功能与四项技术参数（简称“624”规范），规程加高了支架的高度、明确了海南光伏蔬菜大棚的各项设计指标，为实现棚内种植功能的提供了更好的保障。

光伏蔬菜大棚产业合作模式

设计阶段

传统光伏地面电站的设计内容包含光伏支架设计、光伏组件安装、升压站设计等模块，光伏企业委托具有资质的电力勘察设计院进行设计。农光互补类项目涉及农业板块的种植运营，需要联合农业技术单位一同参与设计，以确保光伏蔬菜大棚建成后可达到采光、通风、防雨、防虫等基础种植条件，适宜机械化操作以及能低成本运营等。

建造与运营阶段

光伏企业作为项目业主以租赁方式取得用地，设计方案批复后，建设光伏蔬菜大棚并签约蔬菜产能协议（又称产能保证书）。运营阶段光伏企业将蔬菜大棚有偿或无偿提供给农业公司使用，农业公司负担种植过程的设备维护及水电能耗费用，并作为蔬菜产能协议的实际履约人，代光伏企业履行产量承诺。

一般情况下，光伏企业对于农业方面无技术实力和人员保障，与农业公司合作经营，是当前业态下最佳解决路径。农业公司在入驻农光互补基地前会评估光伏蔬菜大棚及配套设施的适用性，产量目标的可实现性及经营成本。选址科学，规划合理，功能齐全，设施完备且具有一定规模的农光互补基地通常可吸引到技术实力雄厚、经验丰富的农业公司入驻。

热区光伏蔬菜大棚结构形式实践与创新

依据地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定场地等条件选定光伏阵列倾角，一般为系统全年发电量最大时的倾角，海南地区推荐10～16°（同等条件下，尽可能选择较大角度，有利于散射光进入大棚内部）。阵列倾角（即大棚南坡屋面角）确定后，根据前后排光伏支架不出现阴影遮挡的原则来确定前后支架合理间距，并在此基础上，考虑大棚内作物采光，进一步优化确定大棚的几何尺寸。

以海口市（北纬20°02′）为例，选取540Wp型晶体硅光伏组件（简称540组件），组件尺寸为2256×1133 mm，2行布置，拼缝宽度20 mm，则光伏组件的斜面长度4532 mm。当光伏组件倾角取12°，则冬至日9:00～15:00不被遮挡的支架最小安装间距为5620 mm[1]。考虑直射光与散射光进光量满足作物采光需求，在所选光伏组件尺寸及布置方式的前提下，结合海南常年蔬菜（以叶类菜为主）种植要求，确定大棚的跨度、开间和高度。其中，大棚跨度主要为支架的间距。在满足发电要求间距的基础上，将光伏支架最小安装间距定为6500 mm，即温室跨度6.5 m，间距扩大可进一步提升进光量，考虑屋架受力及屋面排水等因素，温室跨度以6.5～7.5 m为宜。同时，光伏支架榀距4 m，不宜超过4.5 m。此外，为保证农事操作空间及棚内采光通风需要，横梁最低处（天沟底面）距地面净高不小于2.5 m（即肩高2.5 m），提升屋架高度可增加组件下部的进光量，但海南地区受台风影响较大，增加高度会较大幅度增大材料的用量，且加大屋面施工、清洁等日常维护的难度，推荐肩高2.5～3.0 m。

简易型光伏蔬菜大棚

简易型光伏蔬菜大棚是在原有光伏支架升高以后，增加防雨、防虫等大棚设施形成简易大棚，因其不改变光伏支架的结构形式，更容易被光伏企业接受而广泛采用。目前较为常见单支柱支架结构和双支柱支架结构。双支柱结构稳固，受力优，但基础的数量较多；单支柱布置灵活，对非平整地形适应性强，施工便捷，有利于降低施工误差，保障安装质量，节约工期[2]。一般根据地勘及荷载条件综合比选确定最终的支架结构。

简易型光伏蔬菜大棚的设计思路可概述为传统光伏支架升高，支架之间架设钢结构，屋顶覆盖薄膜及其他密封处理，四周立面覆盖防虫网，满足农业种植通风、防雨、防虫的基本功能。本文根据单/双支柱支架结构特点，结合经济性原则，对简易型光伏蔬菜大棚提出了3种类型设计方案，分别为天沟型双柱支架简易光伏蔬菜大棚、天沟型单柱支架简易光伏蔬菜大棚、圆拱型单柱支架简易光伏蔬菜大棚。

天沟型双柱支架简易光伏蔬菜大棚

1.大棚主要设计参数

（1）大棚型号：WS-GSJY-6.5-1（HD）[3]。

（2）基本尺寸参数：前后支架跨度6.5 m（3.5 m+3.0 m），横梁最低处（天沟底面）距地面的净高不小于2.5 m，支架屋面的坡度（即光伏阵列倾角）根据项目的具体位置确定，建议在10～16°。

（3）设计抗风等级：不低于项目所在地“30年一遇”值，以海口为例，按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）设计风荷载取值0.66 kN/m2。

（4）光伏组件覆盖率：按光伏组件投影面积占温室面积比例，约≤68.2%。

（5）土地利用率：根据棚内可利用空间，参考农机作业空间进行起垄规划（图1a），剔除垄间空隙及立柱两侧各15 cm不便种植区，棚内土地利用率约79.2%。

（6）适应地形条件：此方案可适用于比较复杂的地形条件，适用范围较广。大棚的结构方案与效果图如图1所示。

图1 天沟型双柱支架简易光伏蔬菜大棚示意图

2.主要工程及材料做法

（1）基础：基础可根据项目实际情况选择适宜类型的桩基础（钢螺旋桩或灌注桩），要求30 cm耕作层范围内的基础直径或边长不大于300 mm，减少对耕作影响。

（2）骨架：大棚骨架采用热镀锌钢材，将薄膜纳入整体考虑，按30年一遇风荷载进行结构计算，确定骨架尺寸、用钢量。

（3）光伏组件：光伏组件暂按540组件考虑，单列纵向2排布置，其他规格应重新优化设计。

（4）屋面防水：光伏组件之间的缝隙应采用耐候建筑胶密封（泡沫条嵌缝），或其他适宜工程做法，确保不漏水。

（5）屋面覆盖：支架之间的间隙部位采用具有散射功能的薄膜覆盖，厚度以0.15 mm为宜，薄膜下布置聚酯托幕线，薄膜及聚酯线均应张紧，防止兜水。当膜的宽度较大或排水坡度较小时，应采用起拱方案（图4）。

（6）排水：薄膜和光伏组件交接的低处应设置热镀锌板排水天沟，天沟设置落水管，落水管间距32～40 m为宜，对应地面处应设置地面排水管（沟），将雨水排至周边主排水沟排出。

（7）天沟：天沟采用热镀锌板压制，工艺要求先压后镀，避免出现微裂缝损伤影响结构耐久性。

（8）通风：屋顶处应按设计要求预留通风口，通风口的净宽度不小于200 mm，用以排出棚内热空气，通风口两侧覆盖应交叉，保证竖向雨水不会进入大棚内部。

（9）立面覆盖及分区：四周立面采用防虫网覆盖（可采用活动式，方便打开），单体分区大小可按排水、监控或地形等条件确定，面积以5亩（3335 m2）左右为宜。

天沟型单柱支架简易光伏蔬菜大棚

1.大棚主要设计参数

（1）大棚型号：WS-GSJY-6.5-2（HD）[3]。

（2）基本尺寸参数：前后支架跨度6.5 m（推荐6.5～7.5 m），支架榀距4 m，横梁最低处（天沟底面）距地面净高2.5 m，横梁斜撑的最低点距地面高度2 m，光伏阵列倾角10～16°。

（3）设计抗风等级：不低于项目所在地“30年一遇”值，以海口为例，按国家标准GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》设计风荷载取值0.66 kN/m2。

（4）光伏组件覆盖率：按光伏组件投影面积占温室面积比例，约≤68.2%。

（5）土地利用率：根据棚内可利用空间，参考农机作业空间进行起垄规划（图2a），剔除垄间空隙及立柱两侧各15 cm不便种植区，棚内土地利用率约80%。

（6）适应地形条件：此方案可适用于比较复杂的地形条件，适用范围较广。大棚的结构方案与效果图如图2所示。

图2 天沟型单柱支架简易光伏蔬菜大棚示意图

2.主要工程及材料做法

（1）基础：基础选用预制桩基础或灌注桩基础。

（2）其他工程做法参见“天沟型双柱支架简易光伏蔬菜大棚”部分的工程做法。

圆拱型单柱支架简易光伏蔬菜大棚

该类大棚为利用单支柱光伏支架改造而形成的圆拱棚。大棚以光伏支架立柱为立柱，在前后排光伏支架之间架设圆拱屋架，雨水顺拱棚流至棚间通风道，经地面排水沟排出，节约了天沟、排水管等设施投入。光伏支架与农业大棚既彼此独立又相互依存，棚内种植空间与传统大棚无异，较为贴合栽培管理人员的使用习惯。

1.大棚主要设计参数

（1）大棚型号：WS-GSJY-6.5-3（HD）[3]。

（2）基本尺寸参数：前后支架跨度6.5 m（推荐6.5～7.0 m），支架榀距4 m，支架下部采用圆拱屋面，拱架横梁最低处距地面净高度≥2.5 m，拱屋脊高度≥3.15 m，拱两侧肩高1.8 m，拱间通风道宽度0.8 m（跨度调整时该尺寸不变），拱跨度5.7 m。

（3）设计抗风等级：不低于当地“30年一遇”抗风等级，以海口为例，按国家标准GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》设计风荷载取值0.66 kN/m2。

（4）光伏组件覆盖率：按光伏组件投影面积占温室面积比例，约≤68.2%。

（5）土地利用率：根据棚内可利用空间，参考农机作业空间进行起垄规划（图3a），剔除垄间空隙及立柱两侧各15 cm不便种植区，棚内土地利用率约78.5%。

（6）适应地形条件：此方案适用于较为平坦的地形条件，地面坡度不超过10°。大棚的结构方案与效果图如图3所示。

图3 圆拱型单柱支架简易光伏蔬菜大棚示意图

2.主要工程及材料做法

（1）基础：采用预制桩基础（采用灌注桩、钢立柱情况下，钢立柱材料截面增加较多，经济性较差，采用时应充分计算比较）。

（2）屋顶覆盖：为提高棚内光照均匀性，支架下部圆拱屋面采用具有散射功能的透明塑料薄膜覆盖，厚度以0.12 mm左右为宜。

（3）排水：雨水经圆拱屋顶排至地面排水沟（深0.25～0.30 m）排出，排水沟铺防水布，防止泥土溅至菜叶上。

（4）通风：排水沟上方肩部采用防虫网覆盖，形成0.8 m宽棚间通风道。

（5）其他工程做法（骨架、光伏组件、立面覆盖及分区）参见“天沟型双柱支架简易光伏蔬菜大棚”部分的工程做法。

天沟型简易光伏蔬菜大棚屋面起拱方案

起拱方案用于应对前后排光伏支架间距加大，或薄膜部分角度较小造成的薄膜排水不畅、薄膜兜水的情况。以天沟型单柱支架简易光伏蔬菜大棚为例，当支架间距增加为7 m后，透光部分的薄膜宽度较宽，宜增加钢管起拱，可防止薄膜兜水，保证排水顺畅，如图4所示。起拱方案同样适用于天沟型双柱支架简易光伏蔬菜大棚。

图4 天沟型单柱支架简易光伏蔬菜大棚结构剖面图/mm

标准锯齿型光伏蔬菜大棚

标准锯齿型光伏蔬菜大棚以大棚结构为主体，结合海南热区气候特点及蔬菜种植光热环境需求，合理优化屋面结构，采用光伏组件作为屋面覆盖材料，部分替代传统薄膜等透明覆盖材料。因其结构合理，地面种植利用率高，光热环境更适宜，可达到蔬菜生产产量较露地种植不降低的目标，能够保证光伏蔬菜大棚的农业属性，实现农业生产与光伏发电的有机结合，对于热带地区发展光伏蔬菜大棚具有较好的示范作用。

大棚主要设计参数

（1）大棚型号：WS-GSJ-7.0-1（HD）[3]。

（2）基本尺寸参数：跨度7 m（推荐7.0～7.5 m），开间4 m，肩高2.6 m，脊高3.8 m，南坡屋面角15°。

（3）设计抗风等级：不低于当地“30年一遇”抗风等级，以海口为例，按国家标准GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》设计风荷载取值0.66 kN/m2。

（4）土地利用率：根据棚内可利用空间，参考农机作业空间进行起垄规划（图5a），剔除垄间空隙及立柱两侧各15 cm不便种植区，棚内土地利用率约85.7%。

（5）光伏组件覆盖率：按光伏组件投影面积占温室面积比例，约≤63.3%。

（6）适应地形条件：此方案可适用于比较平坦的地形条件，要求坡度不超过5°，或地形应做阶梯型找平处理。大棚的结构方案与效果图如图5所示。

图5 标准锯齿型光伏蔬菜大棚示意图

主要工程及材料做法

（1）基础：基础选择钢筋混凝土独立基础。

（2）天沟：屋面设置热镀锌板排水天沟，天沟方向以不超过40 m为宜（10个开间），也可按照方便光伏组件分组来确定天沟方向尺寸。如采用8个开间，长度为32 m，单列可布置2×28块光伏组件。天沟两端设置落水管，将雨水排至大棚周边排水沟内排出。

（3）通风：屋脊处留有约0.5 m宽通风口，采用防虫网覆盖，保证棚内热空气及时排出。

（4）立面覆盖及分区：四周立面采用防虫网覆盖，设置吊轨推拉门，单体面积以5亩（3335 m2）左右为宜。

（5）其他工程做法（骨架、光伏组件、屋顶覆盖）参见“天沟型双柱支架简易光伏蔬菜大棚”部分的工程做法。

功能对比

比较而言，标准锯齿形光伏蔬菜大棚可通过调节屋面光伏组件的覆盖比例，适应叶菜类、瓜菜类等多品类作物，达到综合产量不降低，周年生产不间断的目标。因其具备良好的防雨、通风、遮阳、防虫条件，能适宜热带地区高温高湿、多台风暴雨的气候条件，且内部宽敞通透的操作空间，有利于机械化、标准化耕种，提升产量，改善商品率。

工程造价

本文提供了三种形式的简易光伏蔬菜大棚设计方案和一种标准锯齿形光伏蔬菜大棚设计方案。其中天沟型单/双柱支架简易大棚仅支架结构不一样，改造简易棚所需工程量基本无区别，造价计算时不单独区分。

天沟型单/双柱支架简易光伏蔬菜大棚

大棚按15阵列（阵列间距6.5 m），阵列按2×28组光伏组件布置，长度为32.292 m，即按单体面积（6.5 m×14+4.5 m）×32.292 m=3083.89 m2统计工程量。单价由海南省相关定额及2022年第三期信息价综合取得，单价估算均含安装费、税费等全部费用。单座大棚的装机容量为2×28×15×540=453600 W，支架及大棚改造的均摊投资为1.16元/W，详见表1。

表1 天沟型单/双柱支架简易光伏蔬菜大棚工程量清单及造价

圆拱型单柱支架简易光伏蔬菜大棚

大棚按15阵列（阵列间距6.5 m），阵列按2×28组光伏组件布置，长度为32.292 m，即按单体面积（6.5 m×14）×（32.292 m-1 m×2）=2756.6 m2（面积不含四周立柱以外部分）统计工程量。综合单价由海南省相关定额及2022年第三期信息价综合取得，单价估算均含安装费、税费等。单座大棚的装机容量为2×28×15×540 W=453600 W，支架及大棚改造的均摊投资为1.09元/W，详见表2。

表2 圆拱型单柱支架简易光伏蔬菜大棚工程量清单及造价

标准锯齿型光伏蔬菜大棚

标准型光伏蔬菜大棚以大棚结构为主体，大棚骨架结构即为光伏组件的支架结构。取15跨（跨度7 m）、10开间（开间4 m），即按单座大棚面积（7×15）×（4×10）=4200 m2统计工程量，单座大棚的装机容量为2×36×15×540 W=583200 W，大棚均摊投资1.28元/W，详见表3。

表3 标准锯齿型光伏蔬菜大棚工程量清单及造价

综合效益评价

种植效益

按照海南地区常年蔬菜的种植要求，夏秋淡季蔬菜大棚以种植叶类菜为主。因此，本文所设计的光伏蔬菜大棚均以叶类菜为主要生产对象。

根据已有光伏蔬菜大棚的种植经验与产量数据，结合海南本地的生产特点，简易型光伏蔬菜大棚种植各类叶菜的平均产量约600～700 kg/667 m2，一年按8茬计，年产量约4.8～5.6 t/667 m2；标准锯齿型光伏蔬菜大棚种植各类叶菜的平均产量约900～1000 kg/667 m2，一年按8茬计，年产量约7.2～8.0 t/667 m2。考虑到选址、规模化经营的不确定性，简易型光伏蔬菜大棚的保底年产量按不小于4 t/667 m2计算，标准锯齿型光伏蔬菜大棚种植叶菜的保底年产量按不小于6 t/667 m2计算。

菜篮子以保供稳价为目标，因此叶类菜地头收购价平均按4.0元/kg计算，种植成本约3.4元/kg，净利润约0.6元/kg。则单/支柱改造简易棚（圆拱棚）年种植净收益约2400元/667 m2，标准锯齿型光伏蔬菜大棚年种植净收益约3600元/667 m2。

发电效益

简易型光伏蔬菜大棚采用两排540 W组件时的阵列间距暂按最小6.5 m考虑，实际应用中根据地理位置的不同，间距一般在6.5～7.2 m。标准型光伏蔬菜大棚采用两排540 W组件时跨度（阵列间距）按不小于7 m（7～7.5 m）设计。两种类型的光伏组件布置密度相差不大，发电的规模效益有保障。支架投入方面，圆拱型光伏蔬菜大棚单瓦投入最低（1.09元/W）、天沟型光伏蔬菜大棚次之（1.16元/W）、标准型光伏蔬菜大棚最高（1.28元/W），最大相差约0.19元/W。

综合评价

本项目结合产学研实践为热区光伏蔬菜大棚提供三类可选棚型，以上棚型均满足海南本地农光互补政策规范要求，且适应海南当地设施蔬菜种植需求。比较而言，圆拱型单柱支架简易光伏蔬菜大棚造价最低、天沟型单/双柱支架简易光伏蔬菜大棚对复杂地形适应最好、标准锯齿型光伏蔬菜大棚综合效益最优。

总结

2022年海南省海口、文昌、琼海、万宁、三亚、屯昌、儋州、临高、琼中、白沙、昌江等多个市县已有光伏蔬菜大棚项目批复建设。光伏企业作为项目投融资业主，发电效益得以保障，项目才可通过企业内部评审。利用农用地复合建设光伏蔬菜大棚，保障蔬菜产量才能保障农用地的可持续利用。而要想达到不低于露地的生产产量，且与传统光伏电站的发电效益相当，标准锯齿型光伏蔬菜大棚是优选棚型。